第二相对AZ系镁合金阻尼系数的影响

方 明，钱亚锋，吴 洋

（国家镁及镁合金产品质量监督检验中心，河南 鹤壁 458030）

随着工业和交通业的日新月异的发展，设备的运转速度越来越高，振动和噪声是设备运行和维护的三大公害之一。振动影响了设备的质量，缩短机械零件的寿命，降低了精度和可靠性，而阻尼材料的开发和应用是减震降噪的措施之一[1]。现代工业的发展是以零件设计的轻量化、高强度化为特点。镁及镁合金是目前应用最轻的结构材料，而且还具有高比强度、高弹性模量的优异性能，最重要的是镁合金的高阻尼减震性是其他材料所不具备的特点。

因此，对镁合金阻尼性能进行研究十分必要[2]。现行的阻尼性能测试方法为GB/T 18258-2000阻尼材料阻尼性能测试方法，该方法采用悬臂梁共振法测定材料振动阻尼特性，样品制备复杂且要求高，而且频率不可以任意选。本文探讨了采用两点支撑法进行阻尼系数测试的方法，利用该方法研究铝含量对镁合金阻尼系数的影响。

1 阻尼测试的原理

试样的共振频率主要由试样的弹性模量、密度和和几何尺寸共同决定的，因此试样的几何尺寸、密度和机械共振频率被测定出来，就可以得出材料的弹性模量，根据所测共振频率和半功率带宽，计算出材料的损耗因子。

半功率带宽为共振曲线上共振峰的两侧，振幅为共振振幅的0.707倍的共振频率差。依据所给公式1即可计算出材料的损耗因子，测试过程在控温箱中进行，即可测出相应温度对镁合金阻尼特性的影响。

式中：

Δf0i为第i阶模态半功率带宽。

f0i为共振频率。

2 测试仪的结构及操作

本方法采用圆棒状试样，将试样横向放置在支撑架。测试系统的仪器由激励和接收两部分组成，由信号发生器产生一个正弦或随机信号经放大激励激振器，对试样施加激振力。由检测传感器检测试样的振动响应信号，经放大器放大后送入显示和记录仪器。保持激振幅值恒定，连续改变频率，测出试样的共振曲线。根据共振曲线上的共振峰，计算出半功率带宽。

阻尼测试仪的结构如图1所示。

图1 两点支撑法阻尼系数测试示意图

3 试验方法

3.1 试样制备

选用AZ31镁合金铸锭、AZ41镁合金铸锭、AZ70镁合金铸锭、AZ80镁合金铸锭和铝合金铸锭，试样尺寸均为φ7mm×22mm。尺寸公差为±0.2mm。

3.2 试验过程

将制备好的样品用无水乙醇进行清洗，并在烘箱中105℃加热30分钟烘干。采用排水法计算试样密度。试验温度选取20-30℃。

将试样放置在支撑架上，对试样施加激振力，保持激振幅值恒定，连续改变频率，测出试样的共振曲线，根据共振曲线上的共振峰，计算出半功率带宽。

4 试验结果与分析

4.1 镁合金金相分析

图2为不同牌号镁合金金相图片，图2a为AZ31镁合金铸锭金相图片，图2b为AZ41镁合金铸锭金相图片，图2c为AZ70镁合金铸锭金相图片，图2d为AZ80镁合金铸锭金相图片，从图片中可以看出，随着Al元素的不断增多，镁合金中析出的第二相Mg17Al12的含量越来越多，第二相Mg17Al12在晶界处析出，分布越来越广泛，析出相尺寸不断增加。

4.2 阻尼系数的测量

对上述不同材料牌号、相同尺寸的试样，在20-30℃室温条件下，所测量的阻尼系数见表1，AZ系列镁合金在室温下的阻尼系数比铝合金阻尼内耗值大，说明镁合金具有较大的阻尼内耗性能和优异的减振性能。

表1 不同材料阻尼系数（内耗值）

图2 镁合金金相图片

随着Al含量的不断增大，镁合金阻尼内耗值不断增大[3]。说明合金中元素镁和铝形成的第二相Mg17Al12对镁合金阻尼内耗性能产生了影响[4]。

4.3 第二相对镁合金阻尼性能的影响

镁合金的阻尼性能，由材料内部的位错和溶质原子钉扎所引起的，在振动过程中，由于镁合金中溶质原子和位错的钉扎作用，在外力的作用下不可逆的往复运动，因此产生机械静滞效应而产生能量损耗。

通过上述的微观组织的变化，析出的第二相的尺寸增加，提高了单个析出相的钉扎作用。

在镁合金组织中，Mg17Al12析出相作为钉扎点，随着Al含量的增加，第二相Mg17Al12含量不断增多，对振动具有吸收、粘滞、分割和发射等作用，从而吸收了更多的振动能，使镁合金的阻尼系数增大[5]。

5 结论

（1）镁合金比铝合金具有更好的阻尼能耗性能。

（2）AZ系镁合金中，随着第二相的不断增加，合金的阻尼内耗值不断增大。